CN103115788B - 既有隧道受双线地铁施工影响的室内模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属隧道工程领域，具体涉及一种既有隧道受双线地铁施工影响的室内模型试验装置。该测试装置主要由地铁开挖模拟装置、隧道模型、应变计、位移计支架以及位移计等构成。地铁开挖装置中间为空心铝管且外围为充满水的橡皮膜，以排放一定体积的水来模拟地铁开挖引起的土体变形；隧道模型以铝合金管材模拟，其外壁以全桥方式粘贴应变计以实现对既有隧道的应变测量；位移计固定于位移计支架上，可以实现对既有隧道纵向沉降的测量。本发明能够方便有效地针对城市双线地铁施工引起的既有隧道变形进行模拟，对于制定隧道施工安全穿越技术标准及临近构筑物安全保护措施具有重要的参考价值。

Description

既有隧道受双线地铁施工影响的室内模型试验装置

技术领域

本发明属于城市地下空间开发以及地下建筑工程中的隧道工程领域，具体涉及一种既有隧道受双线地铁施工影响的室内模型试验装置。

技术背景

目前，我国的城市化水平正在迅速提高，城市地下轨道交通建设的步伐也在不断加快。盾构法作为城市地铁隧道施工的一种优选方法，由于其施工自动化程度较高以及可以较小程度地对地面交通产生影响等优点，在地铁隧道施工中的应用越来越广泛。然而，在地铁隧道的修建过程中，不可避免地会对周围土体产生挠动，当盾构隧道开挖引起周围土体的位移和变形超过一定限度时，将会危及临近既有地铁隧道或市政管线的安全和正常使用，从而引发一系列的岩土环境工程问题。临近既有地铁隧道的盾构施工工程会引起既有隧道的纵向不均匀沉降，严重时会引发隧道渗水漏泥或局部破坏，甚至会造成地铁轨道纵向扭曲变形，从而对隧道结构安全和地铁列车的正常运营产生严重威胁。近年来，随着城市地下轨道交通的蓬勃发展，越来越多的地铁隧道将近距离穿越已运营隧道。例如，上海外滩观光隧道与地铁二号线在黄浦江下相互斜交，最小净距仅有1.57m；上海明珠二期穿越地铁二号线下部，仅相距1.4m；2009年10月底贯通的上海外滩通道工程在盾构施工过程中，就面临着要在核心城区穿越众多市政管道以及要以最小净距1.46m穿越地铁二号线的风险。因此，如何预估盾构隧道近距离穿越既有地铁隧道的影响并进行超前控制是地铁施工中的一个核心问题。

国内外相关学者主要采用了数值模拟方法以及现场监测方法针对城市地铁施工引起的临近既有隧道变形进行了研究。数值模拟方法一般需要借助大型商用软件，数值模型的建立较为复杂且计算耗时。此外，由于土工测试仪器设备的限制很难获得精确的土体物理力学参数，而土体参数的变化对数值模拟结果影响很大，因此容易造成计算结果的偏差。现场监测方法是获取地铁施工引起临近隧道变形数据的手段之一，但是受仪器设备以及人为观察因素等限制，现场测试结果具有一定偏差，同时现场监测需要投入一定量的人力物力，现场预埋测试元件非常容易在施工中受到破坏，从而延误监测乃至得到错误监测信息。

发明内容

本发明目的在于上述现有技术的不足，提出一种模拟既有隧道受双线地铁施工影响的室内模型试验装置，实现对地铁开挖引起不同地层损失的模拟，准确测量双线地铁开挖引起的既有隧道应变值和纵向沉降值。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明提出一种模拟既有隧道受双线地铁施工影响的室内模型试验装置，包括模型箱、地铁开挖模拟装置、隧道模型、多组应变计、位移计支架以及多个位移计，其中：

隧道模型，铝合金空心管外壁以全桥方式安装多组应变计，放置于模型箱中并将模型箱分成上下两个部分；

开挖模拟装置，放置于模型箱下部位置，且将开挖模拟装置走向与隧道模型垂直；

位移计支架，固定在模型箱顶面；

多个位移计，每个位移计通过位移计支架固定在隧道模型的上表面；

开挖模拟装置，包含外部围有橡皮膜的空心铝管以及空心铝管和橡皮膜之间形成的环状水腔，在环形水腔一端安装设有进水电磁阀的进水导管，在沿环形水腔水平方向上的另一端安装设有出水电磁阀的出水导管。

进一步，上述既有隧道受双线地铁施工影响的室内模型试验装置，还具有以下特点：模型箱为中部空心的长方体木质结构，其顶面设为开口，顶面四周均设有锚孔便于固定位移计支架。

进一步，上述既有隧道受双线地铁施工影响的室内模型试验装置，还具有以下特点：模型箱内部采用移动砂雨法U型路径填有砂土，并使砂土降落高度保持在700mm。

进一步，上述既有隧道受双线地铁施工影响的室内模型试验装置，还具有以下特点：开挖装置侧面接近两端及端面处沿径向缠绕有乳胶带，以使空心铝管与橡皮膜间形成封闭式环状水腔。

进一步，上述既有隧道受双线地铁施工影响的室内模型试验装置，还具有以下特点：多组应变计以环氧树脂作为垫层，表面用硅密封胶覆盖。

进一步，上述既有隧道受双线地铁施工影响的室内模型试验装置，还具有以下特点：多组应变计以隧道模型对称轴位置为中心，在隧道模型外壁上呈左右对称分布。

进一步，上述既有隧道受双线地铁施工影响的室内模型试验装置，还具有以下特点：位移计支架固定在所述模型箱顶面，并在纵向中轴线位置处开有多个小孔，使每个位移计穿过与之对应的小孔固定在隧道模型上表面，并使每个位移计水平方向固定，垂直方向可以进行调节。

进一步，上述既有隧道受双线地铁施工影响的室内模型试验装置，还具有以下特点：位移计是LVDT位移计，末端用胶布粘贴于隧道模型的外壁。

发明效果与作用

本发明与现有技术相比较，具有如下显著优点：1、本试验测试装置可以手工制作，可以广泛投入到相关科研之中，试验测试方案具有较强扩展性，可以进一步应用到城市盾构隧道施工对临近地表建筑物的变形影响研究中；2、本试验的地铁开挖模拟装置可以较好模拟盾构隧道开挖引起的地层沉降，进而可以较为准确预测施工扰动对临近隧道的变形影响；3、本试验中通过控制地铁开挖模拟装置的不同出水体积，可以实现对地铁开挖引起不同地层损失的模拟，在一次试验中获得一系列不同施工工况下的实验数据；4、本试验中采用全桥方式粘贴应变计，全桥粘贴可以提高电桥灵敏度，消除电桥非线性误差，还可以消除温度误差等共模干扰，该方式可以准确测量双线地铁开挖引起的既有隧道应变值；5、采用本套模拟测试装置进行双线隧道施工环境土工效应的试验研究，可为隧道工程现场施工及地铁运营提供良好的咨询与建议，对于制定隧道施工安全穿越技术标准以及临近既有构筑物的安全保护措施提供一定的理论参考。

附图说明

图1为本发明在实施例中的模型箱内模拟测试装置示意图；

图2为本发明在实施例中的移动砂雨法填充路径1示意图；

图3为本发明在实施例中的移动砂雨法填充路径2示意图；

图4为本发明在实施例中的地铁开挖模拟装置示意图；

图5为本发明在实施例中的隧道模型示意图；

图6为本发明在实施例中的位移计支架示意图。

具体实施方式

结合附图，通过一个优选实例对本发明作进一步地详细说明。

首先，制作一个模型箱、两个地铁开挖模拟装置和一个隧道模型。

图1为本发明在实施例中的模型箱内模拟测试装置示意图，如图1所示，模型箱1外形呈长方体，内部空间尺寸为900mm×650mm×650mm（长×宽×高），由5个厚度为50mm的木质板拼接组成。

图4为本发明在实施例中的地铁开挖模拟装置示意图。如图4所示，地铁开挖模拟装置2中间为一空心铝管7，外径为80mm，内径为75mm，壁厚为5mm,长度为630mm，外部围有厚度为2mm的橡皮膜8，注满水后可形成一个8mm厚度的环状水腔13。地铁开挖模拟装置2侧面距离两端沿径向及端部套有乳胶带14，轴向宽度为15mm，厚度为10mm。在环形水腔一端安装设有进水电磁阀5的进水导管3，在沿环形水腔水平方向上的另一端安装设有出水电磁阀6的出水导管4，进水电磁阀和出水电磁阀均为通用型号，进水导管和出水导管外径均为8mm，壁厚均为1mm。

图5为本发明在实施例中的隧道模型示意图。如图5所示，隧道模型9为一铝合金空心管材，外径为50mm，内径为47mm，壁厚为3mm，长度为630mm。隧道模型9外壁以全桥方式粘贴十二组应变计10，以隧道模型9对称轴位置为中心，左右两侧各对称分布六组应变计10。其中，对称轴左侧第一组应变计中心位置16和17与隧道模型9对称轴中心位置距离为20mm，第二组应变计中心位置18和19与对称轴中心位置距离为70mm，第三组应变计中心位置20和21与对称轴中心位置距离为110mm，第四组应变计中心位置22和23与对称轴中心位置距离为160mm，第五组应变计中心位置24和25与对称轴中心位置距离为200mm，第六组应变计中心位置26和27与对称轴中心位置距离为300mm。在本实施例中，十二组应变计用于隧道模型9的应变测量，其具体量测数值可由外接应变仪获得。

其次，在模型箱1内采用移动砂雨法填充砂土，具体操作时先按照图2所示填充路径1洒落，再按照图3所示填充路径2洒落，砂土降落高度保持在700mm。当土层厚度填至200mm，即填完双线地铁下卧层土，分别放入两个地铁开挖模拟装置2，地铁开挖模拟装置2两侧用乳胶带14缠绕，通过水准尺控制使地铁开挖模拟装置2水平，打开进水电磁阀5将地铁开挖模拟装置2内充水，待地铁开挖模拟装置2中水充满后进水电磁阀5关闭。

继续填土直至厚度达450mm，将隧道模型9放入砂土表层，其与地铁开挖模拟装置2走向垂直。将7个LVDT位移计通过位移计支架固定在所述隧道模型的上表面，并使每个LVDT位移计保持竖直向上，水平方向固定，垂直方向可以进行调节。

图6为本发明在实施例中的位移计支架示意图。如图6所示，位移计支架11固定在模型箱1顶面，长度为950mm，宽度为180mm，其中位移计支架11纵向中轴线位置处开有七个外径为60mm的预留小孔，便于LVDT位移计12的固定。其中，小孔28位于位移计支架11中心位置，小孔28孔中心位置与小孔29孔中心位置距离为90mm，小孔29孔中心位置与小孔30孔中心位置距离为90mm，小孔30孔中心位置与小孔31孔中心位置距离为90mm，小孔32孔中心位置与小孔28孔中心位置距离为90mm，小孔33孔中心位置与小孔32孔中心位置距离为90mm，小孔34孔中心位置与小孔33孔中心位置距离为90mm。在隧道模型9对称轴位置以及两侧等间距安装七个LVDT位移计12，使每个位移计穿过位移计支架上的与之对应的上述小孔固定在隧道模型9的上表面，相邻位移计距离为90mm，且将七个LVDT位移计末端分别用胶布15粘结于隧道模型9的外壁。在本实施例中，位移计用于隧道模型9的纵向变形测量，其具体量测数值可由外接位移数据采集仪获得。

继续填土直至总厚度达620mm，打开出水电磁阀6同时释放两个地铁开挖模拟装置2中水体，以0.5%/分速率放水达到3%地层损失，增加到0.8%/分达到8%地层损失，中间重点记录0.5%、0.8%、1%、2.5%、3%、4.5%、6%以及8%地层损失时各类测试仪器读数，从而可以观测双线地铁施工引起的既有隧道应变值以及纵向沉降值。

以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不以此为限，还可以在不超出本发明的要点的范围内进行适当变更。

实施方式作用与效果

本发明上述实施例通过既有隧道受双线地铁施工影响的室内模型试验装置，可以获得隧道模型不同部位的应变数值和不同埋深的隧道模型的纵向变形值，从而达到准确测量双线地铁开挖引起的既有隧道应变值和纵向沉降值的技术效果。

Claims (8)

1.一种既有隧道受双线地铁施工影响的室内模型试验装置，特征在于，具有：

模型箱；

隧道模型，铝合金空心管外壁以全桥方式安装有多组应变计，放置于所述模型箱中并将所述模型箱分成上部和下部；

两个开挖模拟装置，每个所述开挖模拟装置与所述隧道模型垂直放置于所述下部；

位移计支架，固定在所述模型箱顶面；

多个位移计，每个位移计通过所述位移计支架固定在所述隧道模型的上表面；其中，

所述开挖模拟装置包含外部围有橡皮膜的空心铝管以及所述空心铝管和所述橡皮膜之间形成的环形水腔，在所述环形水腔一端安装设有进水电磁阀的进水导管，在沿所述环形水腔水平方向上的另一端安装设有出水电磁阀的出水导管。

2.根据权利要求1所述的既有隧道受双线地铁施工影响的室内模型试验装置，其特征在于：

其中，所述模型箱为中部空心的长方体木质结构，其顶面设为开口，顶面四周均设有锚孔便于固定所述位移计支架。

3.根据权利要求2所述的既有隧道受双线地铁施工影响的室内模型试验装置，其特征在于：

其中，所述模型箱内部采用移动砂雨法U型路径填有砂土，并使砂土到所述模型箱底部之间的距离保持在700mm处降落。

4.根据权利要求1所述的既有隧道受双线地铁施工影响的室内模型试验装置，其特征在于：

其中，所述开挖模拟装置侧面接近两端及端面处沿径向缠绕有乳胶带，以使所述空心铝管与所述橡皮膜间形成封闭式的所述环形水腔。

5.根据权利要求1所述的既有隧道受双线地铁施工影响的室内模型试验装置，其特征在于：

其中，所述多组应变计以环氧树脂作为垫层，表面用硅密封胶覆盖。

6.根据权利要求5所述的既有隧道受双线地铁施工影响的室内模型试验装置，其特征在于：

其中，所述多组应变计以所述隧道模型对称轴位置为中心，在所述隧道模型外壁上呈左右对称分布。

7.根据权利要求1所述的既有隧道受双线地铁施工影响的室内模型试验装置，其特征在于：

其中，所述位移计支架固定在所述模型箱顶面，并在纵向中轴线位置处开有多个小孔，使所述每个位移计穿过与之对应的小孔固定在所述隧道模型的上表面，并使所述每个位移计水平方向固定，垂直方向可以进行调节。

8.根据权利要求1所述的既有隧道受双线地铁施工影响的室内模型试验装置，其特征在于：

其中，所述位移计是LVDT位移计，末端用胶布粘贴于所述隧道模型的外壁。